基于ZBrush 2019的3D打印在牙齿和骨骼领域的应用

冯星宇　孙巧君　韩小波　郭琼　马凯

摘  要：使用ZBrush 2019技术，根据目标的特性、参数、材料进行建模，设计出一颗完整的右侧上颌中切牙、上肢肱骨，并结合临床上已有的技术来探讨3D打印牙齿模型在临床上的应用前景，设计出的3D打印牙齿和骨骼模型还原度较高，可用于临床模型使用和稀有病理牙齿形态模型的展示与操作等，但该3D打印产品和临床上数字化打印出的烤瓷牙冠相比较仍有不足之处，需后续完善改进。

关键词：3D打印;ZBrush 2019;牙齿;骨骼;临床应用

中图分类号：TP391.9        文獻标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）05-0135-04

Application of 3D Printing Based on ZBrush 2019 in the Field of Teeth and Bones

FENG Xingyu1，SUN Qiaojun2，HAN Xiaobo1，GUO Qiong3，MA Kai1

（1.School of Medical Information and Engineering of Xuzhou Medical University，Xuzhou  221004，China;

2.School of Stomatology，Xuzhou Medical University，Xuzhou  221004，China;

3.School of the First Clinical Medical，Xuzhou Medical University，Xuzhou  221004，China）

Abstract：Using ZBrush 2019 technology，according to the characteristics，parameters and materials of the target，a complete right maxillary middle incisor and upper limb humerus were designed，and the clinical application prospect of 3D printing teeth model was discussed by combining with the existing clinical technology. The 3D printing teeth and bone model designed have a high degree of reduction，which can be used in clinical model use and rare pathological tooth shape However，there are still some shortcomings between the 3D printing product and the clinical digital printing PFM crown，which need to be improved.

Keywords：3D printing;ZBrush 2019;teeth;skeleton;clinical application

0  引  言

每个人牙齿的大小、根管的变异性和复杂度、与周围牙齿所处的相对位置不同，都存在着个性化的差异，难以通过机械批量生产，所以在进行牙齿修复的过程中存在着一定的困难。传统的口腔牙体修复通过手工制作牙齿模型，但由于其不可量产、制作周期长且复杂、精准性不高等问题，现已经不能满足时代的发展需求。在骨骼移植方面亦是如此，目前尚缺乏可以进行批量生产和仿真度较高的人造骨骼作为植入体，于是3D打印技术应运而生。

随着时代的不断进步，3D打印技术得到迅速发展，在众多领域逐渐体现出它卓越的优势，在口腔科和骨科中更是发挥着无法比拟的作用[1]。3D打印技术打印出的实体模型可以替代部分人工制造、机械制造产品。现如今，已在制作单一牙齿的基础上制作牙套;通过改进牙套材料和制作方法制作隐形牙套的产品;制作出隐形鼻梁架，在与人面部贴合的基础上，既增加鼻梁高度，也减少眼镜、外物对鼻梁的压迫而产生的不适感。产品的个性化治疗和精确度方面得到了质的提升，医生也从不相关的矫正义齿模型设计等工作中解放出来[2]。本文基于江苏省2019年大学生创新创业训练计划项目和基础医学国家级实验教学示范中心（徐州医科大学）资助项目，通过ZBrush 2019进行模型绘图，进行3D打印在牙齿和骨骼领域的临床应用研究，尝试用3D建模软件进行精准的3D打印牙齿模型的展示与操作。

1  材料和方法

1.1  3D打印材料的比较与选择

综合各种3D打印材料，考虑使用光敏树脂、尼龙两种材料作为此次的打印材料。光敏树脂由于其光固化快速成型的优点，备受3D打印行业青睐，它还具有高强度、高耐热性、防水性[3]，能够模拟从类橡胶到透明材料在内的多种材料特性，提高产品逼真度。尼龙有着优秀的耐久性、韧性，十分耐用，打印出来的模型带有一些颗粒感，同时层间粘合力较好，无支撑，几乎不需要后处理。

1.2  3D建模软件的分析与使用

在此次实验中，使用ZBrush 2019这款真实仿手工雕塑的3D数学建模工具[4]，拥有杰出的性能和简洁的操作，它的出现完全打破了过去传统三维设计工具的工作方式，创作者使用鼠标来操作ZBrush 2019的笔刷工具，描绘出自己想象中的形象并把它以3D的形式呈现在电脑屏幕上。

1.3  牙齿打印参数的选择

在进行牙齿打印前，首先对人体右侧上颌中切牙的外观、基本结构、组成进行了解，然后再结合牙齿的实际结构和人工制作假牙的方式进行操作建模。牙齿的基本组成由图1所示。接下来将参照这个牙齿的实际结构进行绘图建模。

临床上为病人制作牙冠时，首先需要掌握这个牙齿的所有相关数据，现在一般的方式是通过仪器扫描并结合医生的修复调整来达到使患者舒适的状态，但精准性仍然存在不足。而基于ZBrush 2019技术打印出的牙齿是按照上颌中切牙的蜡块雕刻方法，根据样本数据进行精准等比例绘图、建模、打印，可以弥补医生人工修复不精准的问题。样本数据如表1所示。

2  利用ZBrush 2019进行牙齿建模设计过程

2.1  建模

对上颌中切牙有了足够的了解后，利用ZBrush 2019根据实物的数据、特性，用笔刷绘出实物的模型。笔刷是进行绘图最重要的工具之一，通过笔刷可以改变模型某一片区域的位置，使图形某一块区域向外突出或者向内凹下的，不同的笔刷可以呈现出不同的绘制效果，最基本的笔刷有光滑笔刷（Smooth）、标准笔刷（Standard）、移动笔刷（Move）、磨光笔刷（Polish）、切口笔刷（Slash）等。用鼠标来控制ZBrush 2019的立体笔刷工具，根据不同的需要选择不同类型的笔刷。牙齿模型绘图中用到了标准笔刷（Standard）、光滑笔刷（Smooth）、移动笔刷（Move），具体绘图过程如下：

首先，打开ZBrush 2019软件，点击灯箱按钮，选择一个基本模型作为建模雏形。本设计使用了cube.ZPR（正方体）模型作为初始雏形，在这个模型基础上进行相关操作。点击生成PolyMesh3D（多边形网络）工具后，选择功能栏中的“移动轴”或者“缩放轴”或者“对称轴”按钮，将模型进行等分裁剪后变成长方体。在绘图过程中需注意，可以通过移动、旋转、平移、放大、缩小等操作，并确保始终将模型位于界面正中央，图形如图2所示。

接着，确定上颌中切牙的唇面观和舌面观。选定左侧面为唇面观，右侧面为舌面观，点击功能栏中的“移动轴”或者“缩放轴”或者“对称轴”按钮，再点击齿轮形状的“自定义”，于TransformType界面中选择变形器，然后利用变形器的变形功能，垂直地切除近中面和远中面多余的模型部分，初步形成唇面和舌面。变形操作后模型如图3所示。

其次，标出近中面外形线，进行舌面和远中面的雕刻，从垂直方向去除唇、舌面多余部分，将立方体粗略打磨，完成轮廓外形，本操作主要使用了Smooth笔刷（按住键盘上的shift，切换成Smooth笔刷），该笔刷可以使模型的棱角变得平滑。

最后，为了更符合人体真实牙齿，本模型在细节方面又进行了调整，首先选择恰当的材质营造更合适的色觉感受，点击工具菜单中的材质Material按键，本文使用的是MatCup Sculpy材质，使得牙齿颜色与真实牙齿更加相似，然后使用Smooth笔刷，将牙齿的上方进行凹陷处理。此外，钝化牙齿的棱角，切缘处水平，远中处倾向舌侧一端，在牙齿各面略微进行线条勾画，近中切角略显直角，远中切角圆钝一些。模型制作完成后，选择“另存为”，将所绘模型保存在相应文件夹中，文件自动保存为STL文件。最终模型如图4所示。

2.2  切片与打印

切片处理是3D打印机打印出实体产品进行参数设置的准备过程，切片将之前设计的3D数字模型变成可识别的路径，概括来讲就是把模型均分为厚度相等的数层，并且得出打印机在打印每一层时通过的路径。

3D打印机和普通打印机的工作原理类似，区别在于3D打印机在打印前需要得到一个数字模型，如STL、STP、IGS等格式的模型文件。选择合适的打印材料，将文件导入打印机并编辑打印参数，之后材料便会“分层制造，逐层叠加”[5]，层层打印出来。

3  针对3D打印技术在骨骼方面的设计

运用上面绘制上颌中切牙模型的方式，同样可以制作各种骨骼，比如利用ZBrush提供的cube.ZPR基础模型，选用的SkinShade4材质球，使用Standard笔刷、Smooth笔刷。绘制出的肱骨各方位视图如图5所示。

4  3D打印牙齿模型形态仿真性评估

ZBrush 2019最初设计的牙齿模型草图如图6所示，主要用于模型打印测试，打印材质为光敏树脂。图7是实际打印出来的牙齿，牙齿参数：长：62 mm，宽：51 mm，高：76 mm。从形态、大小、应用性分析此牙齿，该牙齿形态不符合真实牙齿，且牙齿偏大，尚且只能用于普通牙齿模型使用与展示。

可以推测，图4打印出来的模型，外观、大小、形态均与真实牙齿十分接近，在颜色方面更接近真实牙齿[6]，可初步用于临床使用和稀有病理牙齿形态模型的展示与操作等。

4.1  创新思想

产品的需要日益趋向个性化，结合3D打印技术的发展趋势来看，3D打印产品更具有DIY定制的优势，而独特的3D建模绘图软件——ZBrush 2019有全面的功能和清晰的操作流程，正好是能让设计者自由创作的3D作品工具，利用ZBrush 2019设计3D产品的优势将愈发明显。

试想未来某天，其构造得到改进，如果将电子芯片插入其中，做到防止可拆取式假牙的遗失，针对中老年健忘市场，就可以实现定位功能。考虑打印材料的基础聚合物的添加，掺入活性化学物质，如抗菌盐的使用，利用无菌或抗菌3D打印植入物，使其变成抗菌牙齿、抗脏牙齿。

4.2  应用上的局限性

第一，因为原材料紧缺成本、价格制约及种类的限制[7]，3D打印材料在生物相容性方面还有待提高，需要提高与人体的适应度与匹配度。第二，受限于3D打印机技术问题，模型表层相对容易打印，一些要求精细的或者在内部有着特殊要求的产品，相关技术还有待突破。第三，3D打印进入临床使用需要还先需获得医疗注册证，缺乏专业技术人才，由于缺乏相应的标准，难以推广使用[2]，3D打印产品在临床上的应用还有一段路要走。

5  结  论

基于ZBrush 2019的3D打印技术可以在牙齿和骨骼的临床领域中发挥了巨大作用。由于个性化定制的特点，可以高效地建模打印，有效缩短了治疗周期，其次，患者的满意度和舒适度提高的同时[8]，减少病人等待时间，根据其可视化的方案，本设计虽精确度不足，但可以提供稀有病理牙齿形态模型的展示与操作，为临床医疗工作带来了极大的便利，提高医务工作者的工作效率。在不远的将来，3D技术将不仅仅应用于牙齿和骨骼的临床领域，更将为整个临床应用带来革命性的突破与发展。

参考文献：

[1] DAWOOD A，MARTI B M，SAURET-JACKSON V，et al. 3D printing in dentistry [J]. British Dental Journal，2015，219（11）：521-529.

[2] 秦飞.3D打印技术在医学中的应用 [J].科技风，2018（21）：70.

[3] 杜宇雷，孙菲菲，原光，等.3D打印材料的发展现状 [J].徐州工程学院学报（自然科学版），2014，29（1）：20-24.

[4] 李园，文海，张雪.ZBrush數字雕刻软件在电脑首饰设计中的应用 [J].宝石和宝石学杂志，2017，19（1）：48-53.

[5] 吴桢.3D打印模型与石膏模型的精确性比较 [J].中国医疗美容，2017，7（7）：67-69.

[6] 宋颖，唐雷，吴补领，等.构建3D打印牙齿模型及其形态仿真性研究 [J].中国临床解剖学杂志，2016，34（3）：298-302+307.

[7] 余冬梅，方奥，张建斌.3D打印材料 [J].金属世界，2014（5）：6-13.

[8] 花超超，张荣和.3D打印在口腔正畸临床诊疗中的应用进展 [J].口腔医学研究，2019，35（9）：833-836.

作者简介：冯星宇（1998-），男，汉族，江苏淮安人，本科在读，研究方向：3D医学打印;通讯作者：马凯（1972-），男，汉族，江苏徐州人，教授，博士，研究方向：医疗大数据分析处理、3D医学打印。